Transcript 회선 부호화

Chapter 4
디지털 전송
서울산업대학교
1
정보 전송
 정보는 통신 매체를 통해 전송되기 전에 해당 매체의
특성에 맞는 신호로 변환(부호화)되어야 한다
 여러 가지 부호화 방법
서울산업대학교
2
4장 디지털 전송
4.1 디지털 – 대 – 디지털 변환
4.2 아날로그 – 대 – 디지털 변환
4.3 전송방식
4.4 요약
서울산업대학교
3
4.1 디지털-대-디지털 변환
 디지털 정보를 디지털 신호로 표현
 디지털-대-디지털 부호화
서울산업대학교
4
4.1 디지털-대-디지털 변환
 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 기술
1. 회선 부호화 (Line coding) : 필수
2. 블록 부호화 (block coding) : 옵션
3. 뒤섞기 (scrambling) : 옵션
서울산업대학교
5
회선 부호화 (Line coding)
 회선 부호화, 회선 코딩
▶
일련의 2진 비트 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업
그림 4.1 회선 부호화 (coding) 와 복호화 (decoding)
서울산업대학교
6
신호 요소와 데이터 요소
 데이터 요소: 전송해야 하는 것. 정보의 가장 작은 단위 : 비트
 신호 요소 : 실제로 전송되는 것. 디지털 신호의 가장 짧은 단위
서울산업대학교
그림 4.2 신호 요소 대 데이터 요소
7
데이터 전송률 대 신호 전송률
 데이터 전송률 (data rate) = Bit rate
▶
▶
1 초당 전송 데이터 요소 (비트) 수. bps
데이터 전송률을 높이는 것 -> 데이터 전송 속도를 높이는 것
 신호 전송률(signal rate) = pulse rate, modulation rate, baud rate
1 초당 전송에 필요한 신호 요소 수
신호 전송률을 높이는 것 -> 대역폭 요구량을 줄이는 것
S=cN1/r
baud
단, S: 신호요소 수, N: 데이터 전송률, c :case factor,
r : 각 신호 요소가 전송하는 데이터 수
 예제 4.1
▶ 어떤 신호가 1 데이터 요소당 1 신호 요소로 부호화해서 전송한다
(r = 1). 비트 전송률이 100 kbps 이고, c 가 0 과 1 사이에 있다면 baud
rate 는 얼마인가 ?
▶ 풀이: c 의 평균 값이 1/2 이라고 가정한다면, baud rate 는
S = c  1/r = 1/2  100,000  1/1 = 50,000 = 50 kbaud
▶
▶
서울산업대학교
8
데이터 전송률 대 신호 전송률
 디지털 신호의 실제 대역폭은 무한하지만 유효 대역폭은 유한하다
 대역폭은 신호 전송률 (baud rate) 에 비례한다
▶
▶
신호 전송률이 디지털 신호의 요구 대역폭을 결정한다
최소 대역폭은: Bmin = c  N  1/r
 채널 대역폭이 주어졌다면, 최대 데이터율은
Nmax = 1/c  B  r
단, r : 신호요소당 전송 데이터 수
 예제 4.2
▶
▶
채널의 최대 데이터 전송률은 Nmax = 2  B  log2L 이다 (나이퀴스트
식, 3장 참조), 이 식이 위의 Nmax 식과 일치하는가 ?
풀이
 L 개 레벨을 가진 신호는 실제로 레벨당 log2 L 비트를 운반한다.
각 레벨이 한 개의 신호 요소에 해당하고 c = 1/2 이라면,
Nmax = 1/c  B  r = 2  B  log2 L
서울산업대학교
9
회선 코딩(Line Coding)

기준선(Base line)
▶ 수신자가 측정하는 수신 신호 세기의 평균값
▶ 수신 신호의 세기를 기준선과 비교하여 데이터 요소의 값 결정
▶ 기준선이 표류하면 제대로 복호화하기 어려움
▶ 좋은 회선 코딩은 기준선 표류 방지가 필요

직류 성분(Dc component)
▶ 디지털 신호의 전압이 한 동안 일정하게 유지되면 스펙트럼은 매
우 낮은 주파수의 직류성분을 만들어 낸다.
▶ 주파수가 낮은 성분은 통과하지 못하는 시스템(전화선)이 존재하
므로, 직류 성분이 생기지 않는 방법 필요

자기 동기화(Self synchronization)
▶ 발신자가 보낸 신호를 인식하기 위해 수신자의 비트 간격이
발신자의 비트 간격과 완전히 일치해야 함
서울산업대학교
10
회선 부호화 설계 고려사항
 기준선(Base line)
▶ 수신자가 측정하는 수신 신호 세기의 평균값
▶ 수신 신호의 세기를 기준선과 비교하여 데이터 요소 값 결정
▶ 기준선이 표류하면 제대로 복호화하기 어려움
 0 또는 1 의 긴 행렬을 전송
▶ 좋은 회선 코딩은 기준선 표류 방지가 필요
 직류 성분(Dc component)
▶ 디지털 신호의 전압이 한 동안 일정하게 유지되면 스펙트럼
은 매우 낮은 주파수의 직류성분을 만들어 낸다.
▶ 주파수가 낮은 성분은 통과하지 못하는 시스템(전화선 등)이
존재하므로, 직류 성분이 생기지 않는 방법 필요
서울산업대학교
11
회선 부호화 설계 고려사항
 자기 동기화 (Self-synchronization)
전송되는 데이터 안에 포함되는 타이밍 정보
▶ 발신자가 보낸 신호를 인식하기 위해 수신자의 비트 간격이
발신자의 비트 간격과 완전히 일치해야 함
▶
 내장 오류 검출 (Built-in error detection)
▶
코드 생성시 신호 내부에 포함시킨 전송 오류 검출 기능
 잡음과 간섭에 대한 내성 (Immunity to noise and interference)
 복잡도 (Complexity) : 복잡하면 비용 증가
서울산업대학교
12
자기동기화 (Self-synchronization)
 동기화가 불충분한 예
그림 4.3 동기화 결핍의 영향
서울산업대학교
13
자기동기화 (Self-synchronization)
 자기동기화 코드
그림 4.6 맨체스터 부호
서울산업대학교
14
동기화: 예
 예제 4.3
▶
▶
디지털 전송에서 수신측 클록이 송신측 클록보다 0.1% 빠른 경우,
데이터 전송률이 1 kbps 라고 한다면 수신측은 초당 몇 비트를 더
수신하겠는가 ? 데이터 전송률이 1 Mbps 인 경우는 ?
풀이
 1 kbps 일 때, 수신측은 1000 bps 대신 1001 bps 수신
1000 비트 전송
1
1001 비트 수신`
1 비트 과잉
Mbps 일 때, 수신측은 1,000,000 bps 대신 1,001,000 bps 수신
1,000000 비트 전송
서울산업대학교
1,001,000 비트 수신`
1000 비트 과잉
15
회선 부호화 방식 (Line Coding
Schemes)
그림 4.4 회선 부호화 방식
서울산업대학교
16
단극형 (Unipolar Scheme)
 극성 (polarity) 이 한 개 -> 신호 전압 레벨 한 개
 단극형 NRZ (None-Return-to-Zero) : 단순, but
DC 성분: 마이크로파나 변압기를 통과할 수 없다
▶ 동기화: 0 이나 1 이 연속될 때 동기화가 힘들다
-> 별도의 클록 펄스용 회선
▶ 극형 NRZ 보다 정규화된 전력이 두 배
 Normalized power: 단위 회선당 1 비트 보내는데 필요한 전력
▶ -> 오늘날은 데이터 통신에서 별로 사용되지 않는다
▶
서울산업대학교
그림 4.5 단극형 NRZ 방식
17
극형 (Polar Scheme)
▶ 양과 음의 두 가지 전압 레벨을 사용
▶ 회선의 평균 전압 레벨 감소
▶ 직류 성분 문제가 완화(NRZ, RZ) 또는 제거된다 (Biphase)
서울산업대학교
18
극형 NRZ: NRZ-L과 NRZ-I
 NRZ-L 에서는 전압 레벨이 비트 값을 결정한다.
 NRZ-I 에서는 전압의 변화 유무가 비트 값을 결정한다
 “0”이면 신호 변화가 없고, “1”이면 신호가 반전된다.
그림 4.6 극형 NRZ-L 와 NRZ-I 방식
서울산업대학교
19
극형 NRZ: NRZ-L 과 NRZ-I 비교
비교항목
NRZ-L
기준선
연속적인 비트 0 이나 1 로 인
해 평균 신호전력 편향
연속적인 1 은 발생치 않아
발생 확률이 1/2로 줄어듬
연속적인 비트 0 이나 1 로 인
해 동기화 문제 발생
비트 1 마다 신호가 변화하기
때문에 동기화를 제공
표류
동기화
직류 성분
극성
반전시
NRZ-I
전력 밀도의 값이 주파수 0 근 전력 밀도의 값이 주파수 0
처에 집중되어 문제 발생
근처에 집중되어 문제 발생
회선의 극성이 바뀌면
문제없이 해석됨.
“0”과 “1”이 반대로 해석됨
 NRZ-L 과 NRZ-I 모두 N/2 Baud 의 신호 전송률을 갖는다
 예제 4.4: 어떤 시스템이 NRZ-I 를 사용해 1 Mbps 데이터를 전송
한다면, 평균 신호 전송률 및 최소 대역폭은 얼마인가 ?
 풀이: 평균 신호 전송률
S = N/2 = 500 kbaud,
이에 대한 최소 대역폭 Bmin = S = 500 kHz
서울산업대학교
20
RZ (Return to Zero)
 연속적인 0 이나 1 에 대한 동기화 제공
 신호가 매 비트 구간마다 바뀐다
매 비트 중간지점에서 0 으로 돌아온다 (return to zero)
▶ RZ 에서 0 전압은 의미가 없다
 3 가지 값 (+, -, 0) 사용 → 복잡
▶ Bit 1 : 양에서 0 으로 전이, Bit 0 : 음에서 0 으로 전이
▶ 세 가지 전압을 만들어 구분하는 것이 복잡하여 사용되지 않는다
▶
서울산업대학교
그림 4.7 극형 RZ 방식
21
쌍위상 (Biphase) 맨체스터, 차분 맨체스터
 맨체스터 부호화는 RZ 과 NRZ-I 의 개념을 조합한 것
 비트 중간에서의 전이가 동기화에 사용된다
→ 자기동기화 코드
 맨체스터 및 차분 맨체스터의 대역폭은 NRZ 의 2 배
 맨체스터 (Manchester) : 이더넷 LAN 에서 사용
▶
“1”: 음에서 양으로 전이, “0” : 양에서 음으로 전이
 차분 (Differential) 맨체스터 : 토큰 링 LAN 에서 사용
▶
▶
“1”: 비트 시작 시 전이가 없다, “0” : 비트 시작 시에 전이
기준선 표류 문제가 없으며, 각 비트가 양과 음의 전압이 절반식
고르게 들어가서 직류 성분이 없다.
서울산업대학교
22
쌍위상 (Biphase) 맨체스터, 차분 맨체스터
1: 음에서 양으로 전이
0: 양에서 음으로 전이
1: 비트 시작시 전이 없음
0: 비트 시작시 전이
그림 4.8 극형 쌍위상 맨체스터와 차분 맨체스터
서울산업대학교
23
양극형 (Bipolar Scheme)
 양극형은 3 가지 전압 레벨 (+, 0, -) 을 사용한다
▶
▶
다단계 이진수 (multilevel binary) 라고도 한다
Bit 0 : 전압 0,
Bit 1: 양 전압과 음 전압 교대
 AMI (Alternate Mark Inversion)
▶
▶
▶
▶
AMI 는 교대로 반전되는 1 이라는 뜻으로 전신에서 유래
같은 신호 비율과 직류 성분 문제를 가진 NRZ 의 대안으로 개발
Bit 0 : 전압 0,
Bit 1 : 양 전압과 음 전압을 번갈아 사용
장거리 통신에 흔히 사용되지만, 연속된 0 이 길게 계속되면 동기화 문
제가 발생한다 -> 뒤섞기 (scrambling) 기술로 해결
 가삼진수 (Pseudoternary)
▶
▶
AMI 부호화를 변형하여 Bit 0과 1을 반대로 사용하는 방식
Bit 1 : 전압 0,
Bit 0 : 양 전압과 음 전압을 번갈아 사용
서울산업대학교
24
양극형 (Bipolar Scheme)
그림 4.9 양극형 방식 : AMI 및 가삼진수
서울산업대학교
25
다준위 방식(Multilevel Schemes)
▶ m개의 데이터 요소 패턴을 N개의 신호 요소 패턴을 사용하여
표현하며 단위 보오 당 비트 수 증가시키는 방식
▶ mBnL 부호화

m
 B
 n
 L
서울산업대학교
: 2진수 패턴의 길이
: 2진수
: 신호 패턴의 길이
: 신호 준위의 수, 숫자대신 문자 사용
2진 – B(Binary) 3진 – T(Ternary) 4진 – (Quaternary)
26
다준위 방식 (Multilevel Scheme)
 mBnL 부호화 방식에서는 m 개의 데이터 요소 패턴을 n 개의 신호
요소 패턴으로 부호화한다 (2m ≤ Ln)
▶
L 개 레벨로 Ln 개의 신호 패턴을 조합할 수 있다
 2m
= Ln : 1 개의 신호 패턴으로 1 개의 데이터 패턴을 부호화
 2m
< Ln : 각 데이터 패턴당 한 신호 패턴의 부분집합 사용
 2m
> Ln : 불가능. 일부 데이터 패턴은 부호화할 수 없기 때문
 2B1Q (2 binary, 1 quaternary) … m = 2, n = 1, L = 4
 8B6T (8 Binary, 6 Ternary)
… m = 3, n = 6, L = 3
 4D-PAM5 (4-Dimensional 5-level PAM)
서울산업대학교
27
2B1Q (2 Binary 1 Quaternary): DSL 용
 2 비트 데이터 패턴을 4 레벨 중 한 신호 요소로 부호화한다
▶
수신측은 4 가지 임계값을 구별해내야 함 → 대역폭 감소에
한 대가
대
 평균 신호 전송률: Save = N / 4 → NRZ 의 2 배 더 빠르다
 가입자 전화회선을 사용해 인터넷에 고속 접속을 제공하는 DSL 기
술에 사용된다
서울산업대학교
28
2B1Q (2 Binary 1 Quaternary): DSL 용
그림 4.10 다단계: 2B1Q 방식
서울산업대학교
29
8B6T (8 Binary 6 Ternary)
 100 Base-4T 케이블 (13장) 로 사용된다
 8 비트 패턴을 6 개의 신호 요소 패턴으로 부호화.
레벨은 3개 (-, 0, +)
신호
 신호 패턴: 0 또는 1 의 직류 값 (직류 값이 -1 인 신호는 없다)
▶
직류 값 1 인 신호그룹은 다음 것의 전위를 뒤집어 -1 로 만든다 →
직류 균형
 잉여 비트 222 개는 동기화 및 오류 검색에, 일부는 직류 성분 균형
을 위해 사용
▶
신호 패턴 수 - 데이터 패턴 수 = 36 - 28 = 478 - 256 = 222
 신호 전송률은 Save = 1/2  N  6/8 이지만 실제 최소 대역폭은 6N/8
에 근접
서울산업대학교
30
8B6T (8 Binary 6 Ternary)
전위를 뒤집은 것. 직류성분 -1
-++-0-
직류성분 0
직류성분 1
직류성분 1
그림 4.11 다단계: 8B6T 방식
서울산업대학교
31
4D-PAM5: 기가 비트 LAN 용
 4-Dimensional 5-level Pulse Amplitude Modulation (PAM)
 8 비트를 각 2 비트당 신호 요소 1 개를 사용해 4 개 채널 (4 회선) 로
동시에 전송한다 -> 신호전송률이 N/8 로 낮아진다
 전압 레벨 5 개 (-2, -1, 0, +1, +2) 사용. 0 레벨: 전진오류 검출용
 예: 기가 비트 LAN. 가상의 1 차원과 실체의 4차원 구성
▶
▶
125 MBd 를 전송할 수 있는 구리선 4 개를 사용, 1 Gbps 로
이터 전송
데
28 데이터 패턴을 44 = 256 신호 패턴을 갖는 4 개 회선에 대응 시
켜 전송
서울산업대학교
32
4D-PAM5: 기가 비트 LAN 용
그림 4.12 다단계: 4D-PAM5 방식`
서울산업대학교
33
MLT-3 (MultiLine Transmission 3 level)
 3 레벨의 신호 (+, 0, -) 과 3 가지 규칙을 사용하여 부호화
▶
다음 비트가 0 이면 레벨 변화가 없다
▶
다음 비트가 1 이고 현재 레벨이 0 이 아니면 다음 레벨은 0
▶
다음 비트가 1 이고 현재 레벨이 0 이면 다음 레벨은 최근 0 이 아
니었던 레벨의 역
 MLT-3 의 신호 전송률은 비트 전송률의 1/4
▶
32 MHz 이상의 주파수는 (전자기 방사 때문에) 지원하지 못하는
구리선 상으로 100 Mbps 의 데이터를 보내야 할 때 적합하다 (13
장 이더넷 참조)
서울산업대학교
34
MLT-3 (MultiLine Transmission 3 level)
그림 4.13 Multitransition: MLT-3 scheme
서울산업대학교
35
회선 부호화 요약
표 4.1 회선 부호화 요약
서울산업대학교
36
블록 부호화 (Block Coding)
 보통 mB/nB 부호화라 하며 m 비트 그룹을 n 비트 그룹으로
대치한다
m 비트를 n 비트 블록으로 바꾼다
▶ n 은 m 보다 크다
▶ mB/nB 부호화
▶
 블록 부호화 과정 : 3 단계
▶
▶
▶
분할 (division)
치환 (substitution)
조합 (combination)
 방법: 4B/5B, 8B/10B
서울산업대학교
37
블록 부호화 (Block Coding)
▶ 동기화를 확보하기 위해서 여분의 비트가 필요
▶ 오류 탐지를 위해서도 다른 여분의 비트를 포함해야 함
서울산업대학교
그림 4.14 블록 부호화 개념
38
4B/5B
 NRZ-I 와 조합하여 NRZ-I 의 동기화 문제 해결
4비트 데이터를 5비트 코드로 변환
▶ NRZ 로 바꾸기 전에 연속된 0 이 안 생기도록 비트열 변환
▶ DC 성분 문제는 여전
 신호 전송률: NRZ-I 의 20%/ 쌍위상 방식의 신호전송률은 NRZ-I의
2배
▶
그림 4.15 NRZ-I 회선 부호화와 함께 4B/5B 블록 부호화 사용
서울산업대학교
39
4B/5B
표 4.2 4B/5B 매핑 부호
서울산업대학교
40
4B/5B
그림 4.16 4B/5B 블록 부호화의 치환
서울산업대학교
41
블록 부호화와 맨체스터: 예
 예제 4.5
▶
4B/5B와 NRZ-I 조합이나 맨체스터 부호를 이용해 1Mbps의 속
도로 데이터를 전송해야 한다면, 필요한 최소 대역폭은 얼마
인가 ?
▶
풀이
 4B/5B 블록 부호화는 비트 전송률을 1.25Mbps로 증가
킨다. NRZ-I 를 이용한 최소 대역폭은 N/2, 즉 625kHz
이다. 그러나 직류성분 문제를 안고 있다
시
 맨체스터
방법은 최소 1 MHz의 대역폭이 필요하지만
그러나 직류 성분 문제가 없다
서울산업대학교
42
8B/10B
 8비트 그룹을 10비트 그룹으로 바꾸는 것 외에는 4B/5B 부호화와 유
사하다
▶ 4B/5B 와 3B/4B 를 합한 것
▶ 4B/5B 보다 오류 탐지 기능이 우수
 768 (210 – 28) 잉여 그룹은 패리티 검사와 오류 검출에 사용
그림 4.17 8B/10B 블록 부호화
서울산업대학교
43
뒤섞기 (Scrambling)
 지금까지의 방식들은 LAN 내 스테이션간 전용 링크에는 알맞지만,
광
대역을 요하는 장거리 통신에는 적합하지 않다
▶ 쌍위상 (Biphase) : 광대역이 필요하므로 장거리 통신에 부적합하다
▶ 블록 부호화와 NRZ 의 조합 : 직류성분 때문에 장거리에 부적합하다
▶ Bipolar AMI : 동기화 문제
 대안
▶
▶
비트 수를 늘리지 않으면서 동기화를 제공하는 것
AMI 에 뒤섞기를 포함시켜 연속되는 0 의 문제를 피하면, 장거리
송에 사용할 수 있다
전
 뒤섞기 방법
▶
▶
B8ZS
HDB3
서울산업대학교
44
뒤섞기 (Scrambling)
그림 4.18 뒤섞기를 이용한 AMI
서울산업대학교
45
B8ZS
 북미에서 흔히 사용
 AMI 의 동기화 갱신 버전
 B8ZS 은 연속되는 8 개의 0 을 ‘000VB0VB’ 로 치환한다
▶
▶
V (violation) : 바로 전의 0 이 아닌 펄스의 극성과 같다.
B (bipolar) : 바로 전의 0 이 아닌 펄스의 극성과 반대이다.
그림 4.19 B8ZS 뒤섞기 기법의 두 가지 경우
서울산업대학교
46
HDB3 (High-Density Bipolar 3-zero)
 보통 북미 이외의 지역에서 사용된다
 HDB3 은 연속된 4 개의 0 을 ‘000V’ 나 ‘B00V’ 로 치환한다
1) 대치할 때 0 이 아닌 펄스 수가 홀수면, ‘000V’ 로 치환하고
2) 대치할 때 0 이 아닌 펄스 수가 짝수면, ‘B00V’ 로 치환한다
▶
‘B00V’ 로 대치 이후에는 ‘1’ 비트의 극성이 바뀐다
 대치
다
▶
이후에는 AMI 의 규칙 (‘1’ : 양전압과 음전압 교대)을 따른
그 결과, 대치 이후는 0 아닌 펄스의 합계를 짝수로 유지된다
서울산업대학교
47
HDB3 (High-Density Bipolar 3-zero)
그림 4.20 HDB3 뒤섞기 기법의 다른 경우
서울산업대학교
48
4.2 아날로그 대 디지털 변환
 펄스 코드 변조 (PCM, Pulse Code Modulation)
 델타 변조 (DM, Delta Modulation)
 아날로그 신호보다 디지털 신호가 우수하다
오늘날의 경향은 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 것
▶ 아날로그 정보 (즉, 음성)  디지털 신호 (즉, 10001011…)
▶
 CODEC (Coder/Decoder) : A/D 변환기 (converter)
서울산업대학교
49
펄스 코드 변조 (PCM, Pulse Code Modulation)
 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸기 위해 가장 널리 사
용되는 기법
 3 단계 프로세스
▶
▶
▶

표본화 (sampling) : 아날로그 신호를 표본채집한다
양자화 (quantization) : 표본 신호를 수치화한다
부호화 (encoding) : 양자화된 값을 비트 열로 변환한다
PAM: 펄스 진폭 변조 (Pulse amplitude Modulation)
서울산업대학교
50
펄스 코드 변조 (PCM, Pulse Code Modulation)
그림 4.21 PCM 부호기의 구성요소
서울산업대학교
51
표본화 (sampling)
 PAM (Pulse amplitude Modulation) : 표본화 과정
 표본화 율 (sampling rate)
▶
나이퀴스트 정리에 따라 그 신호가 포함된 최고 주파수의 2 배의
속도로 표본을 취해야 한다 (Nyquist sample rate)
서울산업대학교
52
표본화
그림 4.22 PCM의 표본화 방법들
서울산업대학교
53
표본화 (sampling)
그림 4.23 저대역 및 띠대역 신호를 위한 나이퀴스트 표본화 율
서울산업대학교
54
표본화: 예 4.6
 나이퀴스트 정리를 이해하기 위해, 3가지 표본화율로 단순 정현파의
표본채집을 해보자
fs = 4f (나이퀴스트 율의 2배)
fs = 2f (나이퀴스트 율)
fs = f (1/2 나이퀴스트)
 그림 4.24는 표본화와 이후 신호 복구 상태를 보여준다
a: 나이퀴스트 표본화 율로 했을 때 원래 정현파에 잘 근사함을
보여준다
b: 지나친 표본화도 근사의 정도는 같지만 과잉이고 불필요하다.
c: 나이퀴스트 율에 미달되어 원래 정현파 모양의 신호를 만들지
못한다
서울산업대학교
55
표본화: 예 4.6
그림 4.24 각 표본율별 정현파의 표본 및 복구
서울산업대학교
56
표본화: 예 4.7
 어떤 시계의 바늘을 생각해보자. 분침의 주기는 60초다.
 나이퀴스트 정리에 따르면 분침의 30초마다 표본을 채집해야 한다
(Ts=T or fs=2f).
 그림 4.25 에서
▶ (a) : 표본 점은 차례로 12, 6, 12, 6, 12, 6. 표본 수령인은 시계가
바로 가는지 거꾸로 가는지 알 수 없다.
▶ (b) : 나이퀴스트 율의 2 배로 (15초마다) 채집. 표본 점은 채집된
순서대로 12, 3, 6, 9, 12 로 시계가 앞으로 가는 것을 알 수 있다.
▶ (c) : 나이퀴스트 율에 미달하게 채집 (Ts=T or fs=f). 표본 점은 12,
9, 6, 3, 12. 시계가 바로 가더라도, 수령인은 거꾸로 간다고 생각한
다.
서울산업대학교
57
표본화: 예 4.7
그림 4.25 바늘이 하나뿐인 시계의 표본화
서울산업대학교
58
표본화: 예
 예 4.8
예 4.7과 관련된 예 중 하나는 영화에서 앞으로 가는 차의 바퀴가 뒤로 도
는 것처럼 보이는 것이다. 이것은 낮은 속도의 표본화로 설명할 수 있다.
영화는 초당 24 프레임을 촬영한다. 바퀴가 초당 12회 이상 회전한 경우,
부족한 표본화 때문에 역회전으로 느껴지게 된다
 예 4.9
▶ 전화 회사가 음성을 최대 주파수를 4000Hz 로 가정하고 디지털화한다.
따라서, 표본화 율은 초당 8000 표본이다.
 예제 4.10
▶ 저대역 복합신호의 대역폭이 200 kHz라면 이 신호의 최소 표본화 율은 ?
▶ 풀이: 저대역 신호의 대역폭은 0 과 f (f는 이 신호의 최고 주파수) 사이이다
. 즉, 최고 주파수는 200 kHz 이고, 그 2 배로 표본화 할 수 있으므로
표본 율은 초당 400,000 표본/초
 예제 4.11
▶ 띠대역 복합신호의 대역폭이 200 kHz라면 이 신호의 최소 표본화 율은 ?
▶ 풀이: 이 경우, 대역폭의 시작과 끝을 모르므로 최소 표본화 율을 알 수 없
다. 이 신호의 최고 주파수를 알 수 없기 때문.
▶
서울산업대학교
59
양자화 (Quantization, 정량화, 계수화)
 양자화 과정
▶
▶
▶
▶
▶
원래의 아날로그 신호가 Vmin 과 Vmax 사이의 값을 갖는다고 할 때
전체 영역을 높이가  인 L 개의 구간으로 나눈다.
 = (Vmax  Vmin) / L
각 구간의 중간 점에 0 에서 L = 1 까지 정량화된 값을 지정한다
채집한 신호의 진폭 값을 정량화된 값 중 하나로 지정한다
양자화 레벨 (quantization level) : L
 양자화 오차 (Quantization Error) : L 또는 nb 에 따라 다르다
표본당 비트 수)
(nb:
SNRdB = 6.02nb + 1.76 dB
 비 균일 양자화 (Nonuniform quantization: )
축약 (Companding) 및 신장 (expanding) 프로세스
▶ SNRdB 를 효과적으로 줄일 수 있다
▶
서울산업대학교
60
양자화: 예제
그림 4.26 채집된 신호의 양자화와 부호화
서울산업대학교
61
양자화: 예제
 예제 4.12 그림 4.26의 예에서 SNRdB 은 얼마인가?
▶
풀이: 양자화 레벨 8, 표본당 3 비트이므로 SNRdB = 6.02(3)
+ 1.76 = 19.82 dB
 레벨 수가 늘어나면 SNR 도 증가한다
 예제 4.13
▶
▶
전화회선은 통상 SNRdB 이 40 을 넘어야 한다.
표본 당 최소 비트는 얼마인가 ?
풀이:
SNRdB = 6.02nb + 1.76 = 40  n = 6.35 비트
 전화회사는 보통 표본당 7 또는 8 비트를 할당한다
서울산업대학교
62
부호화 (encoding)
 각 표본을 nb 비트로 바꾼다
▶
비트 전송률: bit rate = sampling rate  표본당 비트 수 = fs  nb
아날로그 신호
펄스코드변조 (Shay)
의 디지털로 부호화된다
 예제 4.14
▶
▶
사람의 음성을 디지털화하려고 한다. 표본 당 8 비트 라고 가정 하
면 비트 전송률은 얼마인가?
풀이: 음성은 보통 0 ~ 4000 Hz 주파수를 포함하므로
sample rate = 4000  2 = 8000 표본/초
Bit rate = 8000  8 = 64,000 bps = 64 kbps
서울산업대학교
63
원래 신호 복원: PCM decoder
 PCM 복호기 (decoder)
회로를 사용해 코드를 펄스로 변환 (진폭을 다음 펄스까지 유지)
▶ 저대역 통과 필터를 사용해 계단형 신호를 부드러운 아날로그 신
호로 바꾼다
▶
그림 4.27 복호기의 구성요소
서울산업대학교
64
PCM 대역폭
 저대역 통과 아날로그 신호의 대역폭이 주어졌다고 가정하자.
신호를 디지털화하는 경우, 부호화된 신호의 최소 대역폭은 얼마인가?
Bmin = c  N  1/r = c  nb  fs  1/r
= c  nb  2  Banalog  1/r
= nb  Banalog
단, 1/r = 1, c = 1/2
 채널의 최대 데이터 전송률
Nmax = 2  B  log2L bps
 최소 요구 대역폭
Bmin = N / ( 2  log2L ) Hz
 예제 4.15
▶
4 kHz 의 저대역 통과 아날로그를 전송하려면 최소 대역폭이 4 kHz 인
채널이 필요하다. 만일, 그 신호를 디지털화해서 표본당 8 비트로 전송
한다면, 필요한 채널의 최소 대역폭은 8  4 kHz = 32 kHz
서울산업대학교
65
PCM 부호화 과정
 아날로그 신호에서 to PCM 디지털 코드까지
서울산업대학교
66
델타 변조 (Delta Modulation)
 PCM 의 복잡성 낮추기 위해 개발된 기술 중 제일 간단한 것
 직전 표본 값과의 차이(δ)를 계산해서 비트 전송 (코드 사용 안 함)
 변조기:δ가 + 면 1, - 면 0 단, 원래 아날로그 신호의 기준값 필요
 복조기: 계단 신호 발생기와 지연 요소를 사용해 본래 신호로 재생한
다
 양자화 오차: DM은 불완전, 항상 오차가 생기지만 PCM 보다 매우
작다
 적응 DM (Adaptive DM)
▶
아날로그 진폭 값에 따라 델타 (δ) 값이 바뀐다
서울산업대학교
67
델타 변조 (Delta Modulation)
그림 4.28 델타 변조 프로세스
서울산업대학교
68
델타 변조 구성요소
그림 4.29 델타 변조 구성요소
서울산업대학교
69
델타 변조 구성요소
그림 4.30 델타 복조 구성요소
서울산업대학교
70
4.3 전송 방식 (TRANSMISSION
MODES)
 병렬 전송 (Parallel Transmission)
 직렬 전송(Serial Transmission)
 링크 사이의 2진 데이터 전송 : 병렬 방식 또는 직렬 방식
▶
병렬 방식 : 각 클록 단위로 여러 비트가 전송된다.
▶
직렬 방식 : 각 클록 단위로 1 비트가 전송된다.
 병렬 데이터를 보내는 방법 : 한 가지 뿐
 직렬 데이터 전송 방법 : 3 종류
▶
비동기식(asynchronous)
▶
동기식 synchronous)
▶
등기식 (isochronous
서울산업대학교
71
4.3 전송 방식 (TRANSMISSION
MODES)
그림 4.31 데이터 전송과 전송 방식
서울산업대학교
72
병렬 전송 (Parallel Transmission)
 한꺼번에 n 비트를 동시에 보내는 회선에서 사용
 장점 : 병렬 전송으로 속도가 빠름
 단점: 비용  단 거리에 한함
서울산업대학교
그림 4.32 병렬 전송
73
직렬 전송 (Serial Transmission)
 하나의 통신 채널로 두 장치간 데이터 전송, 병렬/직렬 변환기 필요
 장점 : 경비 절감
 3가지 방법
▶
비동기(asynchronous), 동기(synchronous), 등시(isochronous)
그림 4.33 직렬 전송
서울산업대학교
74
비동기 전송 (Asynchronous
Transmission)
 시작부분에 1 개의 시작비트 (0) 와 각 바이트의 끝에1~2 개의 정지
비트 (1) 를 보낸다
 각 바이트 사이에 간격 (gap): 휴지상태 또는 stop bits
 비동기 전송이란 바이트 레벨임을 의미하지만 비트 레벨은 여전히
동기화되고 전송시간은 동일하다
 저속 통신에 좋다 (terminal)
서울산업대학교
75
비동기 전송 (Asynchronous Transmission)
그림 4.34 비 동기 전송
서울산업대학교
76
동기 전송 (Synchronous Transmission)
비트 스트림을 “프레임 (frames) 으로 묶는다
프레임 간은 특정 I/O 시퀀스: No gap
흐름의 중간에서의 동기화가 중요하다
데이터링크층에서의 바이트 동기화
장점: 속도  고속 전송
 동기 전송에서는 시작비트와 정지비트 및 간격(gap)이 없이 연속해
서 비트를 전송한다. 비트를 그룹화하는 것은 수신측 책임이다





그림 4.35 동기 전송
서울산업대학교
77
등기 (Isochronous)
 같이 프레임 간격이 일정해야 하는 실시간 오디오 및 비디오
데이터는 동기식 방식이 부적절하다
▶
예: TV 영상은 초당 30 프레임씩 프레임간 지연 없이 같은
속도로 전송되어야 한다
-> 전체 비트열이 동기화돼야 한다
 등기 전송은 데이터가 일정한 속도로 도착함을 보증한다
서울산업대학교
78
4장 요약
 회선 부호화는 2진 데이터 디지털 신호로 변환하는 프로세스이다
 신호 레벨은 신호에서 사용하는 값의 수, 데이터 레벨은 데이터를 나타내는









기호의 수다
비트 전송률은 pulse rate 와 데이터 레벨의 함수이다
회선 부호화 방법은 직류성분을 제거하고, 송수신측간 동기화 수단을 제공해
야 한다
회선 부호화 방법은 단극형과 극형 양극형으로 분류할 수 있다
NRZ, RZ, 맨체스터 및 차분 맨체스터 부호화는 제일 유명한 극형 부호화 방
법이다
AMI는 유명한 양극형 부호화 방법이다
4B/5B, 8B/10B, 8B/6T 는 일반적인 블록 부호화 방법이다
아날로그 대 디지털 변환은 PCM에 의존한다
PCM은 표본화, 양자화, 회선 부호화를 수반한다
나이퀴스트 정리는 표본 추출율이 적어도 원래 신호의 최고 주파수의 2 배가
돼야 한다
서울산업대학교
79
4장 요약
 디지털 전송은 직렬 방식 또는 병렬 방식일 수 있다
 병렬 전송에서는 각기 분리된 비트 그룹이 회선 상으로 동시에 전송된다
 직렬 전송에서는 단 1 개의 회선만 있으며 비트가 차례대로 전송된다
 직렬 전송은 동기이거나 비동기일 수 있다
 비동기 직렬 전송에서, 각 바이트 (8 비트 그룹) 는 시작 비트와 정지 비트와
함께 만들어진다. 각 바이트 간 간격 (gap) 은 가변적이다
 동기 직렬 전송은 시작 비트와 정지 비트도 없고 바이트간에 간격도 없는 연
속적인 스트림을 보낸다. 의미 있는 바이트들로 비트를 재편성하는 것은 수
신 측의 책임이다
서울산업대학교
80